CC BY
0
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕНДЕРИНГА НА РАЗВИТИЕ VR-ТРЕНАЖЁРОВ
А.С. Лукин1, канд. техн. наук
Е.С. Велюжинец1, студент
И.А. Веремеенко1, студент
Т.А. Шпилькина2, канд. экон. наук, доцент
1Институт международных экономических связей (ИМЭС)
2Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
(Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-9-3-94-100
Аннотация. В исследовании рассматриваются актуальные проблемы, связанные с использованием современных технологий рендеринга в реальном времени, их воздействием на развитие VR-тренажёров и применением в областях и сферах экономики, таких как педагогическая практика, промышленность, медицина и др.
Результаты исследования позволили сделать вывод, что развитие этих технологий не только повысило качество визуальной составляющей VR-тренажеров, но и расширило границы возможного в дизайне, позволяя создавать все более сложные и интерактивно обучающие пространства. В статье также исследуются ключевые технологии рендеринга, используемые в современных VR-тренажёрах и видеоиграх, и их влияние на развитие обучающих игр в педагогике, как для детей дошкольного возраста, студентов средне-специального и высшего образования, так и в процессе обучения новых сотрудников на производственных предприятиях. Как показало исследование, применение таких тренажёров в промышленности имеет определенные сложности и проблемы, которые и предстоит решить в ближайшем будущем.
Ключевые слова: рендеринг, VR-тренажёры, видеоигры, шейдеры, графические технологии, трансформация, педагогическая сфера, промышленность, медицина, инновации, экономика.
Сложные виртуальные миры в видеоиграх, которые способны погружать игроков в захватывающие и визуально потрясающие приключения превратились из простых развлечений в создание УЯ-тренажеров для обучения. Одной из ключевых технологий, стоящих за этим преобразованием, является рендеринг в реальном времени - процесс создания изображений из компьютерной модели с использованием графического программного и аппаратного обеспечения [5].
Технологии рендеринга в реальном времени позволяют отображать сложные сцены и динамические эффекты с высокой степенью детализации и реализма, что ранее было недостижимо. Развитие этих технологий не только повысило качество визуальной составляющей УЯ-тренажеров, но и расширило границы возможного в дизайне, позволяя создавать все более сложные и интерактивно обучающие простран-
ства. Начиная от простой растеризации и доходя до сложных техник, таких как трассировка лучей в реальном времени, разработчики ПО теперь могут воссоздать виртуальное пространство с невероятным уровнем реализма, при этом, сохраняя высокую производительность и доступность для широкой аудитории [7].
Современные УЯ-тренажёры - это высокотехнологичные продукты, на переднем крае которых находится рендеринг в реальном времени. Этот процесс включает в себя конвертацию трехмерных графических данных в двумерные изображения, которые затем отображаются на экране [5].
Эффективность рендеринга влияет не только на качество визуальных эффектов, но и на общую производительность игры, что критически важно для создания захватывающего игрового опыта. Растеризация и трассировка лучей показана на рисунке 1.
Растеризация преобразует ЭБ-модели в 2Б пиксели, в то время как трассировка лучей имитирует путь света для создания реалистичных изображений. Растеризация быстра и подходит для обучающих УЯ-
Растеризация
Рис. 1. Растеризация и
тренажёров, но менее точна в освещении, в отличие от трассировки лучей, которая более реалистична, но требует больше вычислительных ресурсов.
Трассировка лучей
трассировка лучей [1]
Слева растеризация показана как процесс, где лучи света проецируются прямолинейно из одной точки, пересекая сцену и отображаясь на экране, что представляет объекты как плоские изображения. Справа трассировка лучей иллюстрирована множеством лучей, исходящих от глаза наблюдателя, которые отражаются и преломляются объектами в сцене, создавая более реалистичное изображение с учетом световых взаимодействий. Оба метода направлены к экрану, на котором формируются итоговые изображения.
С целью визуализации используются шейдеры. Это небольшие программы, созданные на специальном языке программирования, который используется для описания визуальных эффектов в компьютерной графике. Они позволяют создавать
и выводить на экран компьютера красивые, реалистичные и динамичные изображения, анимации и эффекты [1].
Вершинные и пиксельные шейдеры определяют положение вершин и окончательный цвет пикселей, соответственно, позволяя создавать сложные эффекты и детализированные сцены в играх без потери производительности.
Для лучшего понимания различных типов шейдеров и их возможностей, обобщим их в виде таблицы 1. Как можно видеть, каждый тип шейдера играет свою роль в графическом пайплайн, и способен выполнять различные задачи. «Пайплайн (от англ. pipeline - трубопровод) - это последовательность действий или процессов, которые выполняются для достижения заданной цели [1].
Таблица 1. Возможности шейдеров
Тип Шейдера Описание Возможности Примеры применения
1. Вершинный (Vertex Shader) Обрабатывает вершины модели, выполняя трансформации и другие вычисления на вершинах. Трансформация координат, освещение по вершинам, анимация скина. Изгиб травы под действием ветра, анимация лицевой мимики персонажей.
2. Пиксельный (Pixel/Fragment Shader) Определяет цвета и другие характеристики пикселей на основе фрагментов. Текстурирование, тени, отражения, пост-процессинг. Реалистичные блики на воде, гладкие тени в играх.
3. Геометрический (Geometry Shader) Принимает примитивы, такие как точки, линии и треугольники, и может выводить другие примитивы. Добавление деталей, тес-селяция, управление сложностью объектов. Генерация травинок на поле, детализация поверхности воды.
4. Тесселяционный (Tessellation Shader) Управляет детализацией геометрии модели в реальном времени. Увеличение геометрической детализации, сглаживание поверхностей. Детализированные ландшафты, реалистичная кожа персонажей.
5. Вычислительный (Compute Shader) Используется для общих вычислений, не связанных непосредственно с рендерингом. Физические расчёты, процедурная генерация, обработка данных. Симуляция ткани, процедурная генерация уровней.
Вершинные шейдеры, например, могут манипулировать геометрией сцены, позволяя создавать динамические эффекты, такие как ветер или волны. Пиксельные шей-деры, с другой стороны, используются для создания детализированных и реалистичных текстурных и осветительных эффектов.
Вычислительные шейдеры используют GPU для задач за пределами графики, как
физические симуляции и машинное обучение, расширяя возможности рендеринга и создания реалистичных виртуальных миров, чему способствует GPGPU. GPU -это специализированный процессор, который работает исключительно с графикой [1].
Рассмотрим архитектуру графического процессора и вычислительных шейдеров, которая приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Архитектура графического процессора и вычислительных шейдеров [6, 7]
Схема демонстрирует взаимодействие центрального процессора (CPU) с графическим процессором (GPU) для обработки данных. CPU посылает задачи на GPU, который состоит из блоков SIMD, объединенных в стриминговые мультипроцессоры. Каждый мультипроцессор включает в себя стриминговые ядра, детализированные как стриминговые процессоры с отдельными исполнительными элементами (PE), способными параллельно обрабатывать множество потоков данных [1].
В последнее время индустрия видеоигр и VR-тренажёров стала свидетелем значительных технологических прорывов, особенно в области рендеринга. Эти инновации не только переопределяют визуальные стандарты игр и игровых тренажёров, но и оказывают глубокое влияние на их разработку, игровую механику и взаимодействие с участниками.
Улучшение визуального качества VR-тренажёров, благодаря технологиям трассировки лучей и DLSS, играет важную роль в создании погружающей атмосферы в процессе обучения, делая виртуальное пространство более реалистичными и вовлекающими. Это особенно важно для тех направлений использования игр, где ключевое значение имеют атмосфера и детализация пространства [6].
Однако существуют технические вызовы, такие как необходимость баланса между качеством графики и производительностью, для обеспечения доступности игр и игровых тренажёров на различных платформах. «Cyberpunk 2077» служит примером использования современных технологий для создания убедительных виртуальных сред. Для расширения возможностей визуального качества и его доступности необходимы дальнейшая оптимизация и развитие аппаратного обеспечения [1].
Повышение визуального качества и сложности в новых поколениях видеоигр и VR-тренажёров ставит перед аппаратным обеспечением вызовы, связанные с производительностью и доступностью, особенно для технологий трассировки лучей и DLSS, требующих высокопроизводительных GPU. Производительность ограничена
требованиями к вычислительным мощностям, что заставляет пользователей обновлять оборудование для игр с максимальными настройками графики, увеличивая затраты. Доступность становится проблемой из-за разрыва между технологическими возможностями и доступностью оборудования, исключая пользователей с устаревшими системами из погружения в новинки [6, 7].
Оптимизация и масштабируемость игр через прогрессивное улучшение, облачные технологии и А1-оптимизацию представляют собой стратегии решения этих проблем. Будущее индустрии зависит от способности разрабатывать и делать доступными новые технологии для всех пользователей, поддерживая баланс между инновациями и потребностями игроков [1].
Современные технологии рендеринга расширяют творческие возможности в разработке игровых тренажёров, позволяя создавать проекты с неосуществимыми ранее визуальными и игровыми элементами. Эти инновации вдохновляют на эксперименты с жанрами и механиками, приводя к появлению новых типов игровых опытов, делая возможным более глубокое погружение и эмоциональное воздействие.
Инди-разработчики, используя доступные современные инструменты, могут конкурировать с крупными студиями в визуальном качестве, демократизируя игровую разработку. Технологические инновации, такие как А1 и облачные технологии, открывают путь к созданию динамически меняющихся игровых миров, предлагая игрокам уникальный опыт при каждом прохождении. Несмотря на вызовы адаптации к новым технологиям, перспективы этих инноваций обещают ещё более впечатляющие и погружающие в виртуальную реальность в будущем [6].
Прогресс в области графических технологий неизменно ведет к развитию игровой индустрии, предоставляя игрокам и разработчикам новые возможности для исследования и творчества. Игровые тренажёры имеют применение в различных сферах и областях (рис. 3).
1. Они применяются педагогами в дошкольном образовании. «Самостоятельно изученные жизненные опыт во временя игр учит ребенка анализировать, сравнивать, узнавать и обобщать« [3]
2. Применение игр в средне-специальном и высшем образовании. Многолетняя практика свидетельствует, что использование игр в период обучения в виде мозгового «штурма» или метода «Дельфи», позволяет обучающимся быстрее адаптироваться к сложным ситуациям, работать в команде, учиться быстро принимать решения, что очень важно в быстроменяющемся мире.
3. В медицинской реабилитации. Игровые технологии помогают улучшить мотивацию пациентов, повысить эффективность процесса восстановления и создать более позитивную атмосферу для
4. Применение игровые тренажёров в промышленности. «Одна из основных проблем российских промышленников сегодня — нехватка квалифицированных кадров, способных работать со сложным
Рис. 3. Игровые тренажёры и их применение в различных сферах и областях
Очень удобно применять игровые тренажёры для с ОВЗ (ограниченными возможностями здоровья. Для этого педагоги-логопеды используют компьютерные программы. Они подбираются индивидуально от имеющихся ресурсов: от времени занятий удобного для ребенка (некоторые дети активны в первую половину дня, другие лучше усваивают материал во второй половине дня); от необходимого (специального) оборудования; от программного обеспечения; от квалификации специалиста [4].
Если говорить о применении игровых тренажёров в промышленности, то как отмечают специалисты, процесс обучения новичка занимает от полугода и более, отвлечь опытного рабочего на столь долгий срок практически невозможно. Тренировки на тренажерах, разработанных к настоящему времени в России, в основном предполагают, что человек уже обучен и ему нужно просто отработать действия. Сложность состоит в том, что промышленности нужен тренажер, который будет учить, а не только помогать закреплять знания [11]. Процесс постоянного обучения и развития помогает приспосабливаться к новым требованиям и непрерывно повышать уровень компетенций [2].
Тем, кто занимается разработкой игровых тренажёров, есть над чем работать в ближайшее время.
Задача, поставленная руководством страны до 2030 года, состоит в быстром развитии производства и технологий, по-
вышении производительности труда, а это предполагает процесс оптимально короткого периода обучения молодежи и тех, кто желает пройти переподготовку или получить новую профессию. Нужны новые методики, позволяющие получать новые компетенции за небольшой отрезок времени. И в этом, в том числе могут помочь УЯ-тренажёры, и это укладывается в концепцию технологической трансформации, предполагающей такое преобразование в национальной экономике, которое позволяет внедрить в ведущие отрасли новые современные технологии с опорой на опыт предыдущих поколений и на этой основе создать новые конкурентоспособные товары, как для национальной экономики, так и для экспорта [9]. Важно, что развитие цифровых навыков и выстраивание диалога между государством, бизнесом, научным сообществом и гражданами позволит стимулировать внедрение инноваций [8].
Таким образом, подводя итоги данного исследования, очевидно, что инновации в технологиях рендеринга, и связанные с ними разработки, продолжают трансформировать индустрию видеоигр и УЯ-тренажёров, открывая новые горизонты для разработчиков и участников. От трассировки лучей и ИИ-ускоренного улучшения изображений до облачного гейминга и экологически ответственных практик, эти технологии вносят значительный вклад в эволюцию игрового дизайна, повышение доступности и устойчивого развития отрасли.
Библиографический список
1. Боресков, А.В. Основы компьютерной графики: учебник и практикум для вузов / А.В. Боресков, Е.В. Шикин. - М.: Изд-во Юрайт, 2024. - 219 с.
2. Маковецкий М.Ю., Борисов И.А. и другие. Новые подходы к управлению проектами в условиях структурных изменений в экономике // Экономика и бизнес: теория и практика. - 2023. - № 12-1 (106). - С. 124-128
3. Талых, А.А. Методическое сопровождение развиващей игры-тренажёра вида «канте-ле-сортер» для дошкольников / А.А. Талых, А.А. Волошина, К.Д. Кемпи // Проблемы современного педагогического образования. - 2023. - № 80-1. - С. 300-302.
4. Танцюра С.Ю. Киберсоциализация и интеграция детей с ОВЗ в социальное пространство: инновационная практика и перспективные модели// Отечественный журнал социальной работы. - 2018. - № 3(74). - С. 163-174.
5. Фарр М., Джейкоб В., Хамфрис Г. Рендеринг на основе законов физики / пер. с англ. И.Л. Люско. - М.: ДМК Пресс, 2023. - 1076 с.
6. Цителова А.Д., Дзюба А.Д. Виртуальная трехмерная реконструкция с последующим созданием игровой локации в среде виртуальной реальности // Мультимедиа: современные тенденции: Материалы VIII Международной научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 28-29 октября 2022 года / Ред-сост. О.Ф. Никандрова, О.В. Петрухина. -Санкт-Петербург: ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургская государственная художественно-промышленная академия имени А.Л. Штиглица», 2022. - С. 85-94.
7. Шакшак, О.М. Разработка многофункционального VR приложения на базе BIM модели / О.М. Шакшак; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. - Санкт-Петербург, 2020. - 74 с.
8. Шпилькина Т.А., Ковалев А.И. Региональные проблемы российского предпринимательства // Двадцать пятые апрельские экономические чтения: Материалы международной научно-практич. конференции, Омск, 11 апреля 2019 года / Под ред. В.А. Ковалева и А.И. Ковалева. - Омск: Финансовый университет при Правительстве РФ, Омский филиал, 2019. - С. 117-121.
9. Шпилькина Т.А. Технологическая трансформация в экономике и ее влияние на развитие современного предпринимательства // Экономика и бизнес: теория и практика. -2024. - № 7 (113). - С. 229-233.
10. Российский производитель медицинского оборудования для реабилитации. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ormed.ru/pressa/igry-na-sluzhbe-zdorovya-kak-igrovye-tekhnologii-menyayut-meditsinskuyu-reabilitatsiyu/.
11. Чего ждут промышленники от VR-тренажёров. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.sibur.digital/72-chego-zhdut-promyshlenniki-ot-vr-trenazherov.
THE IMPACT OF RENDERING TECHNOLOGY ON THE DEVELOPMENT OF VR-SIMULATORS
A.S. Lukin1, Candidate of Technical Sciences E.S. Velyuzhinets1, Student I.A. Veremeenko1, Student
T.A. Shpilkina2, Candidate of Economic Sciences, Associate Professor institute of International Economic Relations 2D.I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology (Russia, Moscow)
Abstract. The study examines current problems related to the use of modern real-time rendering technologies, their impact on the development of VR simulators and their application in fields and spheres of economics, such as pedagogical practice, industry, medicine, etc.
The results of the study led to the conclusion that the development of these technologies has not only improved the quality of the visual component of VR simulators, but also expanded the boundaries of what is possible in design, allowing you to create more and more complex and interactive learning spaces. The article also examines the key rendering technologies used in modern VR simulators and video games, and their impact on the development of educational games in pedagogy, both for preschool children, students of secondary special and higher education, and in the process of training new employees at manufacturing enterprises. As the study showed, the use of such simulators in industry has certain difficulties and problems that will have to be solved in the near future.
Keywords: rendering, VR simulators, video games, shaders, graphic technologies, transformation, educational sphere, industry, medicine, innovation, economics.
